Исследование особенностей граничного трения ротационным вискозиметром
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?.1. Схема капиллярного вискозиметра для исследования реологических свойств тонких прослоек жидкости
Щелевой зазор создавался между двумя плоско полированными стальными пластинами 1, которые с помощью микрометрического устройства 2 могли перемещаться и фиксироваться на заданном расстоянии. Полированные, обработанные по 14-му классу точности, стальные пластины закреплялись на латунных основаниях 3, в которых размещались установочные болты 4, позволявшие в случае необходимости устранять клиновидность щелевого зазора. Герметизация зазора осуществлялась боковыми и верхними резиновыми прокладками 5, покрытыми тонкой тефлоновой пленкой.
Рис.2.Схема создания перепада давлений в капиллярном вискозиметре
Для определения объема жидкости, протекающей через щелевой зазор, использовалась (рис.2) калиброванная измерительная трубка 1, высота столба жидкости в которой фиксировалась катетометром К с точностью 0,01 мм. Для создания перепада давлений вискозиметр через балластную трубку 2 подсоединялся к ресиверу 3 с манометрическим устройством 4. При измерении давлений P ~ 102 104 Па использовался водяной, а для больших давлений (до 20 КП) образцовый механический манометр. Для уменьшения объема пленки жидкости, остающейся за опускающимся мениском, диаметры измерительной трубки выбирались небольшими (~ 1 мм). Поверхности пластин, образующих зазор, и другие металлические детали, входящие в контакт с исследуемой жидкостью, перед сборкой вискозиметра для очистки от органических загрязнений промывались растворителем и просушивались.
После установки заданной величины зазора D он герметизировался. Изотермичность и малость градиентов температур (T/l 50 K/м) контролировались системой термопар, а постоянство температуры (Т 0,5 К) в рабочей ячейке обеспечивалось воздушным термостатом. Для устранения ошибки, связанной с возможным шунтированием потока жидкости, ее протечкой через неплотности резиновых прокладок, предварительно проводился контрольный опыт, при котором через вискозиметр прокачивался воздух и определялась объемная скорость его протекания. Рассчитанные в таких опытах значения вязкости воздуха сравнивались с табличными данными, и в дальнейших измерениях вводилась соответствующая поправка. При зазорах D 50 мкм поправка не превышала нескольких процентов, а при меньших зазорах становилась значительной.
После заполнения вискозиметра исследуемой жидкостью в ресивере создавалось разрежение, и при различных фиксированных перепадах давлений P в диапазоне P = 102 104 Па проводились измерения интервала времени протекания через прибор заданного объема жидкости Q. Разброс отсчетов времени в пределах серии измерений был ~ 1%, однако, воспроизводимость последовательных серий достигала 10%, что связано, по-видимому, с возможным попаданием в зазор отдельных частиц твердых примесей. Расход жидкости в единицу времени определял экспериментальную объемную скорость течения qэ = Q/ (м3/с), где Q объем протекшей через капиллярный зазор жидкости за время , и среднюю (по сечению зазора S) линейную скорость = qэ /S. Режимы течения во всех проведенных опытах были ламинарными (Re 1). Объемная вязкость исследовавшихся жидкостей измерялась стандартными вискозиметрами и сравнивалась с литературными данными.
1.2.2 Экспериментальные результаты. В работе авторами были проведены измерения вязкости тонких (D = 30 50 мкм) прослоек индивидуальных органических жидкостей и углеводородных технических смесей, образованных между металлическими пластинами. В случае ламинарного потока средняя скорость течения ньютоновской жидкости через щелевой зазор толщиной D (рис.3) определяется формулой:
, (2.1)
где p=P/l (Па/м) градиент давления по длине зазора l, а 0 (Пас) величина коэффициента вязкости жидкости.
Существование на боковых поверхностях щелевого зазора пристенного слоя с иными реологическими характеристиками, чем объемная жидкость, было установлено в опытах с описанным вискозиметром при анализе характера возрастания скорости течения жидкости с повышением перепада давления, и сравнением таких зависимостей с теоретическими, рассчитываемыми по (1). Для исследуемых жидкостей при зазорах заведомо больших чем 2ds, т.е. в отсутствие перекрытия пристенных слоев, в области малых перепадов давления наблюдается уменьшение вязкости с ростом давления и поэтому нелинейное возрастание скорости течения жидкости, а при давлениях (0.5 1) 104 Па вязкость становится равной вязкости объемной жидкости.
Рис.3. Геометрия щелевого зазора вискозиметра и схема течения в нем жидкости с приповерхностным жестким слоем
Как пример авторы приведят результаты (рис.4) опытов с технической углеводородной жидкостью МРХ-30. Для тонких (D ~ 30 40 мкм) прослоек этого масла при
Рис.4. Зависимость отношения / p относительной (по отношению к градиенту давления p) экспериментальной средней скорости течения масла МРХ-30 через щелевые зазоры вискозиметра от градиента давления p. Величина зазоров: D1 = 39,7 мкм (), D2 = 35 мкм (О) и D3 = 30 мкм (). Т = 294 К. Сплошные линии аппроксимация зависимостью (2)
небольшой скорости течения зависимость (1) не выполняется величина возрастает не пропорционально градиенту д